Послеспиртовая барда (меласса)

Содержание

Определения;…………………………………………………………………….4

Обозначения и сокращения;…………………………………………………….7

Введение;…………………………………………………………………………8

Основная часть;………………………………………………………………...10

1 Аналитический обзор;………………………………………………………..11

1.1       Безотходные технологии, как путь решения проблемы оптимального потребления природных ресурсов и охраны окружающей среды;……………...11

1.2       Утилизация  отходов спиртовой промышленности;……………….....12

2 Технологическая часть;……………………………………...……………….15

2.1      Характеристика сырья для производства этилового спирта;…..….....15

2.2      Аппаратурное оформление и последовательность стадий                    технологической схемы производства этилового спирта из мелассы;…………19

2.3    Структурная технологическая схема производства с точки зрения    образования отходов;………………………………………………………………28

2.4  Методы утилизации отходов производства;……………………………..31

3 Безопасность жизнедеятельности;…………………………………………..34

Заключение;…………………………………………………………………….36

Список использованных источников……………………………………….....37

Определения

Барда (послеспиртовая барда) - это отходы производства этилового спирта.

Меласса — отход сахарного производства; сиропообразная жидкость тёмно-бурого цвета со специфическим запахом.

Спиртовое брожение — химическая реакция брожения, осуществляемая дрожжами, в результате которой одна молекула глюкозы преобразуется в 2 молекулы этанола и в 2 молекулы углекислого газа.

Кормовые концентраты — это однородные смеси измельченных до необходимой крупности высокобелковых, биологически активных веществ, минеральных кормовых средств, ферментов, антиоксидантов и других компонентов.

Дрожжегенерирование — сложнейший биохимический процесс, состоящий из взаимосвязанных и тесно переплетающихся биохимических реакций, в процессе которого сахар расходуется на получение трех основных продуктов: дрожжей, спирта и диоксида углерода.

Пастеризация — процесс одноразового нагревания чаще всего жидких продуктов или веществ до 60 °C в течение 60 минут или при температуре 70—80 °C в течение 30 мин.

Кларификация — отстой, очистка жидкости, процедка.

Гомогенизация — процесс создания однородной (гомогенной) физически стабильной смеси, как правило, жидкостей, двух или более, не растворимых одна в другой, а также для измельчения содержащихся в продукте частиц до заданного микронного уровня.

Дрожжи — внетаксономическая группа одноклеточных грибов, утративших мицелиальное строение в связи с переходом к обитанию в жидких и полужидких, богатых органическими веществами субстратах.

Обозначения и  сокращения

АЧК - аппаратах чистой культуры

СВ – сухие вещества

ГФ - головная фракция

СМ - сивушное масло

ЭАФ - головная фракция  этилового спирта

РС - ректификованный  спирт

ЭАК - эфироальдегидный концентрат

Э – этанол

А - амиловые спирты

БПК – биологическая  потребность в кислороде

КМБ-12 - кормовой концентрат витамина В12

АПК - агропромышленный комплекс

СКД – сухие кормовые дрожжи

ХПК – химическая потребность  в кислороде

Введение

В связи со значительным объемом промышленной переработки  различного сырья растительного  происхождения на перерабатывающих предприятиях агропромышленного комплекса (АПК) образуется огромное количество ценных и пригодных для дальнейшей переработки вторичных сырьевых ресурсов (отходы и побочные продукты основного производства). Многие из которых, к сожалению, в настоящее время не находят рационального применения в промышленности [1]. Так как ежегодно различными перерабатывающими предприятиями вывозятся на свалки, поля фильтрации, овраги, спускают в пруды и реки более 2 млрд. т. так называемых отходов.

Актуальность вопроса утилизации отходов на предприятиях по производству спирта связана с загрязнением окружающей среды, так как из-за высокого содержания влаги барда не подлежит длительному хранению и транспортировке, поэтому чаще всего на спиртзаводах ее просто сливают, загрязняя близлежащие территории [2]. Поэтому производства с глубокой степенью переработки сырья и низким уровнем отходов становятся все более востребованными.

С экономической точки зрения переработка послеспиртовой мелассной барды в сухие корма имеет высокую рентабельность. Себестоимость получаемых кормовых концентратов существенно ниже, чем фуражного зерна. Это снижает затраты сельхозпроизводителей на корма и, соответственно, уменьшает себестоимость конечной продукции.

Одной из важнейших проблем  повышения эффективности производства является комплексное использование материальных ресурсов путем совершенствования технологических процессов, внедрения безотходной технологии, расширения переработки вторичных ресурсов и утилизации отходов. Наиболее полное использование отходов позволяет экономить полноценное сырье, лучше организовать защиту окружающей среды от загрязнения.

В настоящее время  острой экологической и, следовательно, экономической проблемой в спиртовой  промышленности Республики Казахстан  является утилизация образующихся отходов и побочных продуктов при производстве этилового спирта из мелассы. К ним относятся, главным образом, послеспиртовая мелассная барда, углекислота, отработавшие дрожжи, эфироальдегидная фракция и сивушные масла. Если побочные продукты, такие как эфироальдегидная фракция и сивушные масла, находят свое применение в различных отраслях промышленности и составляют небольшую долю в общем балансе отходов, то утилизация послеспиртовой мелассной барды создает определенные сложности ввиду ее значительных объемов (на одну часть спирта приходится 13 частей барды) и низким содержанием сухих веществ -7...12 %, в зависимости от сырья и технологической схемы производства.

Послеспиртовая мелассная  барда - быстрозакисающая суспензия, которая, тем не менее, обладает питательной ценностью [3]. Она содержит практически все питательные вещества, присущие исходному сырью: протеины, жиры, клетчатку и безазотистые экстрактивные вещества, включая несброженные сахара и крахмал, которые составляют от 30 до 40 % сухого вещества исходного сырья. Барда принадлежит к числу кормовых продуктов, улучшающих усвояемость животными сухого корма. Она способствует распаду целлюлозы более активно, чем патока, зерно, отруби и другие растительные продукты.

Поэтому вопрос рационального использования послеспиртовой зерновой барды становится все более актуальным, особенно после принятия закона Республики Казахстан “О внесении изменений и дополнений в Закон Республики Казахстан “Об охране окружающей среды” по вопросам отходов производства и потребления”

Наиболее рациональным способом утилизации послеспиртовой зерновой барды, при котором она превращается в продукт с высокой питательной  ценностью (кормовая ценность сухой барды по сравнению с нативной повышается в 10 раз), транспортабельный и сохраняющийся в течение нескольких лет, является сушка.

Современные спиртовые  комплексы заинтересованы в производстве сухого белково-витаминного кормопродукта  для сельскохозяйственных животных, птицы и может быть использован  при производстве кормов для домашних животных (собакам, кошкам и др.). И с экономической точки зрения, использование сухих продуктов имеет высокую рентабельность. Так как сухая барда - продукт переработки отходов производства, то стоит она существенно дешевле фуражного зерна, что в целом снижает затраты на корм и, соответственно, уменьшает себестоимость продукции.

Вопрос переработки послеспиртовой барды сегодня становится не менее важной и экономически привлекательной задачей, чем производство самого спирта. Организация переработки барды в эффективный белково-витаминный продукт будет способствовать организации нового высокорентабельного бизнеса производства кормовых продуктов, спрос на которые в мире превосходит предложение.

Все предлагаемые способы переработки барды можно  условно разделить на два типа схем:

1. С использованием  биотехнологических операций:

• схемы с  получением кормовых дрожжей;

• схемы с  получением биогаза в метантенках.

2. Основанных  только на физических методах:

• схемы с  выпарными станциями и сушкой для получения сухой барды;

• схемы с  физико-химическим осаждением;

• схемы с сепарированием и фильтрацией.

Целью данной курсовой работы является разработка методов утилизации послеспиртовой мелассной барды.

Основная часть:

1 Аналитический  обзор

     1.1 Безотходные технологии, как путь решения проблемы оптимального потребления природных ресурсов и охраны окружающей среды

При замкнутой системе  производство строится, опираясь на следующие  фундаментальные принципы:

1. возможно более полное  использование исходного природного вещества;

2. возможно более полное  использование отходов (регенерация  отходов и превращение их в  исходное сырье для последующих  ступеней производства);

3. создание конечных  продуктов производства с такими  свойствами, чтобы используемые  отходы  производства  и потребления могли быть ассимилированы экологическими системами.

Сложившееся сегодня  положение в области ресурсопотребления и масштабы промышленных выбросов позволяют сделать вывод о том, что имеется только один путь решения проблемы оптимального потребления природных ресурсов и охраны окружающей среды - создание экологически безвредных технологических процессов, или безотходных, а на первое время - малоотходных. Это единственный способ, подсказанный самой природой.

В ноябре 1979 г. в Женеве на совещании по охране окружающей среды в рамках Организации Объединенных Наций (ООН) была принята «Декларация о малоотходной и безотходной технологии и использовании отходов». В соответствии с Декларацией под безотходной технологией понимается такой принцип функционирования промышленности и сельского хозяйства региона, отрасли, а также отдельных производств, при котором рационально используются все компоненты сырья и энергия в цикле и не нарушается экологическое равновесие.

Под малоотходным понимают такое производство, вредные последствия, деятельности которого не превышают уровня, допустимого санитарными нормами, но по техническим, экономическим, организационным или другим причинам часть сырья и материалов переходит в отходы и направляется на длительное хранение [4].

Конечно, концепция безотходной  технологии в некоторой степени  носит условный характер. Под безотходной  технологией понимается теоретический  предел, идеальная модель производства, которая в большинстве случаев  может быть реализована не в полной мере, а лишь частично (отсюда и малоотходная технология), но с развитием технического прогресса - с все большим приближением. Технологические процессы с минимальными выбросами, при которых способность природы к самоочищению в достаточной степени может предотвратить возникновение необратимых экологических изменений, называют иногда малоотходными технологиям. Однако название "безотходная технология" получило наибольшее распространение.

Стратегия безотходной  технологии исходит из того, что  неиспользуемые отходы являются одновременно не полностью использованными природными ресурсами и источником загрязнения окружающей среды. Снижение удельного выхода неиспользуемых отходов в расчете на товарный продукт технологии позволит произвести больше продукции из того же количества сырья и явится вместе с тем действенной мерой по охране окружающей среды.

Биосфера дает нам  природные ресурсы, из которых в  сфере производства получаются конечные продукты, при этом образуются отходы. Продукты используются либо в сфере производства, либо в сфере потребления, и вновь образуются отходы. Под отходами понимаются вещества, не обладающие на первых порах потребительской ценностью. Во многих случаях при необходимости после соответствующей обработки они могут быть использованы как вторичное сырье (вторичные материальные ресурсы) или как вторичные носители энергии (вторичные энергоресурсы). Если по техническим или технологическим причинам невозможно или экономически невыгодно перерабатывать отходы, то их необходимо выводить в биосферу таким образом, чтобы по возможности не наносить вреда естественной окружающей среде.

Анализ существующей ситуации, расчеты и прогнозы на будущее убедительно показывают, что реализация безотходных производств во всех отраслях промышленности возможна при условии активного использования достижений науки и техники, и в первую очередь химической технологии [5].

Особенность химической технологии состоит в том, что  она способна превратить в ресурсы не только свои собственные отходы, но и отходы других производств. В связи с этим химия и химическая технология способствуют решению таких коренных проблем охраны природы, как комплексное использование сырья и утилизация отходов, обезвреживание производственных выбросов.

Решение задачи обеспечения  социально-экономического развития, глобальной конкурентоспособности Казахстана, основанной на отечественных технологиях, невозможно без стратегии и приоритетов технологического развития страны. Приоритеты научно-технологического развития формируются на основе совместного анализа и прогноза развития научно-технической сферы.

Важнейшим условием обеспечения  эффективного научно-технического развития является обоснованный выбор приоритетов и концентрация научного потенциала, финансовых и материальных ресурсов на их реализацию.

В связи с этим государственная поддержка научных исследований в республике направлена на концентрацию усилий, способствующих развитию прорывных проектов инновационного характера – в информационных технологиях, нанотехнологии, биотехнологии и т.д. Так, например, нанотехнологии способны произвести революцию в сельском хозяйстве, стабилизировать экологическую обстановку.

Биотехнологии стали  самым актуальным для развития человеческого  общества видом технологии. Это направление в науке и производстве возникло в результате стремительного прогресса физико-химической биологии. Оно сформировалось за последние два десятилетия, получившее в данное время мощное развитие. Биотехнология означает любой вид технологии, связанный с использованием биологических систем, живых организмов или их производных для изготовления или изменения продуктов или процессов в целях их конкретного использования. Это научная дисциплина и сфера практики, изучающая пути и методы изменения окружающей человека природной  среды в соответствии с его потребностями. По мнению экспертов, биотехнологии станут отраслью, определяющей будущее развитие в различных областях человеческого общества.

1.2 Утилизация  отходов спиртовой промышленности

Актуальность вопроса утилизации отходов на предприятиях по производству спирта связана с загрязнением окружающей среды, так как из-за высокого содержания влаги барда не подлежит длительному хранению и транспортировке, поэтому чаще всего на спиртзаводах ее просто сливают, загрязняя близлежащие территории. Поэтому производства с глубокой степенью переработки сырья и низким уровнем отходов становятся все более востребованными [6].

В настоящее время  острой экологической и, следовательно, экономической проблемой в спиртовой  промышленности Республики Казахстан  является утилизация образующихся отходов и побочных продуктов при производстве этилового спирта из мелассы. К ним относятся, главным образом, послеспиртовая мелассная барда, углекислота, отработавшие дрожжи, эфироальдегидная фракция и сивушные масла. Если побочные продукты, такие как эфироальдегидная фракция и сивушные масла, находят свое применение в различных отраслях промышленности и составляют небольшую долю в общем балансе отходов, то утилизация послеспиртовой мелассной барды создает определенные сложности ввиду ее значительных объемов (на одну часть спирта приходится 13 частей барды) и низким содержанием сухих веществ -7...12 %, в зависимости от сырья и технологической схемы производства.

Послеспиртовая  мелассная барда - быстрозакисающая суспензия, которая, тем не менее, обладает питательной ценностью. Она содержит практически все питательные вещества, присущие исходному сырью: протеины, жиры, клетчатку и безазотистые экстрактивные вещества, включая несброженные сахара и крахмал, которые составляют от 30 до 40 % сухого вещества исходного сырья. Барда принадлежит к числу кормовых продуктов, улучшающих усвояемость животными сухого корма. Она способствует распаду целлюлозы более активно, чем патока, зерно, отруби и другие растительные продукты. Вопрос утилизации предприятиями такого отхода спиртового производства, как мелассная барда с небольшим содержанием в ней сухих веществ (3,0–8,4 %), десятилетиями не находит устойчивого приемлемого решения, несмотря на обилие различных предлагаемых схем и даже комплектов оборудования.

Барда в жидком виде существовала всегда, обладала одной  и той же кормовой ценностью и требовала переработки в течение 12 ч с момента выхода с основной технологической линии выработки спирта, так как является скоропортящимся продуктом. Ранее ее большей частью планово скармливали животным откормочных хозяйств, т. е. работал централизованно-плановый механизм, которого в настоящее время нет, а барда осталась и вошла в конфликт с окружающей средой. Отсутствие ее переработки приводит к серьезным экологическим проблемам вокруг спиртзаводов, так как показатель биохимической потребности в кислороде для полной ассимиляции с природой (БПК) составляет почти фантастическую величину — 25 000–29 000 мг-экв./л. Сравним: хозяйственно-фекальные стоки по этому показателю находятся в диапазоне 250–500 мг-экв./л, или в сотни раз меньше. Очистка 1 м3 стоков с содержанием барды приравнивается к очистке 400 м3 типичных промышленных сточных вод. Ситуация с утилизацией барды в целом стала хуже.

Особенно важно  отметить, что сложность работы с ней и круг применяемых способов (технологий) обусловлены наличием растворимых в воде несбраживаемых компонентов исходного природного сырья. Отсюда равноценными можно считать два пути:

А. Считать барду  объективно неизменным во времени началом для переработки, под которое следует подстраивать все варианты утилизации ее полезных компонентов и нейтрализации вредных. Такой подход наиболее приемлем для действующих производств.

Б. Пересмотреть с самого начала всю технологию спиртового производства и найти варианты, при которых в идеале барда не образуется совсем. Такой подход рассчитан на перспективу с применением как для создания новых предприятий, так и для коренной реконструкции существующих заводов на принципиально иной основе, с предварительной их полной остановкой.

Недостаток  всех ранее предлагавшихся схем состоял в том, что на тот период не существовало высоконадежной элементной базы для очистки стоков-суспензий со стартовой температурой около 100 °С, содержащих в водной среде растворимые белковые вещества и соли. Такие воды не могут быть очищены до БПК = 6–10 мг-экв./л исключительно дешевыми и традиционными способами.

Все предлагаемые способы переработки барды можно  условно разделить на два типа схем:

1. С использованием биотехнологических операций:

• схемы с  получением кормовых дрожжей;

• схемы с  получением биогаза в метантенках.

2. Основанных  только на физических методах:

• схемы с  выпарными станциями и сушкой для получения сухой барды;

• схемы с  физико-химическим осаждением;

• схемы с  сепарированием и фильтрацией.

Анализируя  способы переработки, получаем следующее: биотехнологические операции в реализации не так просты и «перебивают» кажущиеся выгоды своей сложностью в реализации с необходимостью постоянного квалифицированного управления процессами [7].

Критерии удовлетворительной переработки барды:

• обеспечение безусловной экологической чистоты в результате применения технологии;
• соблюдение правил взрыво- и пожарной безопасности;
• простота и надежность дополнительного технологического процесса утилизации;
• разработка технологии с замкнутым циклом получения продукта внутри самого производства;
• отсутствие необходимости завоза каких-либо компонентов со стороны, использование уже имеющихся ресурсов тепла, энергии, производственных площадей с организацией технологических процессов переработки барды на территории спиртзавода;
• переработка всего объема поступившей барды прямо в потоке, притом не более суток с момента ее выхода из основного производства;
• хорошее качество получаемых продуктов переработки;
• малый объем дополнительно возводимых зданий;
• минимальный срок окупаемости капитальных вложений.

Изложенным  критериям будет удовлетворять золотая середина: что-то взять от имеющихся технологий переработки барды, что-то от очистки сточных вод. Наиболее разумным с учетом вышеперечисленных ограничений следует признать путь по предлагаемой схеме:

1. Механическими  способами разделяют барду на  влажный осадок нерастворимых веществ (дробину) и фильтрат с растворенными в нем веществами.

2. Дробину сушат  простыми и надежными способами, желательно без дополнительных затрат пара, так как не все котельные осилят дополнительную нагрузку.

3. Жидкий фильтрат  разделяют мембранными (тоже механогидравлическими) способами на 25%-ный сметанообразный коричневый концентрат растворенных веществ (16 т) и чистую горячую воду (74 т).

4. Белковый концентрат  также подлежит сушке на ином типе сушильного устройства с более высокой напряженностью пространства сушилки по влаге.

2 Технологическая часть

2.1 Характеристика сырья  для производства этилового спирта

При переработке свеклы на сахар все несахаристые вещества свеклы, не удаленные с жомом и дефекационным шламом, накапливаются в маточном растворе, получающемся после фуговки последнего продукта.

В связи с наличием  значительного количества несахаров, затрудняющих кристаллизацию сахара, этот продукт, называемый мелассой, является отходом свеклосахаренного производства.

Выход мелассы составляет примерно 4,6% по весу свеклы, а содержание сахара в ней 2,4% к весу свеклы. Выход мелассы колеблется в очень широких пределах и зависит от многих причин.

Меласса является побочным продуктом в производстве сахара. В зависимости от вида сырья, перерабатываемого на сахарных заводах, меласса бывает нескольких видов:

• свеклосахарная — при переработке сахарной свеклы;
• тростниковая — при переработке сахарного тростника на сахар-песок;
• рафинадная — при производстве сахара-рафинада из сахара-песка.

В странах СНГ для производства спирта используется преимущественно свеклосахарная меласса.

Свеклосахарная меласса  представляет собой темно-коричневую вязкую жидкость со специфическим запахом продуктов карамелизации сахарозы и три-метиламина, содержащегося в ней в малых количествах [8]. Плотность мелассы 1,30—1,42.

Цветность мелассы по отношению к светопропусканию воды составляет 20—60% при разбавлении мелассы 1 : 10. С повышением содержания инвертного сахара цветность мелассы увеличивается. Так, при хранении мелассы в первом полугодии цветность колеблется в пределах 12—44% (в среднем 31%), во втором — 30—64% (в среднем 48%) к светопропусканию воды. Вязкость нормальной мелассы колеблется в пределах 3600—5600 сп.  С повышением плотности (% СВ) увеличивается ее вязкость.

Химический состав мелассы  зависит главным образом от сорта и качества сахарной свеклы, почвенно-климатических условий ее произрастания.  На физико-химические и технологические показатели мелассы влияют методы ведения производства на сахарных заводах, а также продолжительность сезона сахароварения (таблица 1).

Меласса содержит 75-85 % сухих  веществ, из которых около 54-63% (по весу сухих веществ) сахарозы, 14,8% азотистых веществ, 16,7% безазотистых веществ (кроме сахара) органических веществ и 8,5% золы.

При содержании около 20% воды меласса в среднем содержит 50% сахара и 30% несахаристых веществ, которые  в свою очередь можно разделить  на неорганические, главным образом соли калия 10%, и органические 20%.

Кроме сахарозы, нормальная меласса содержит в небольшом  количестве (до 0,25%) инвертный сахар, а также раффинозу (до 2 %).

Таблица 1

Химический состав и  технологические показатели качества свеклосахарной мелассы